DE102006055818A1

DE102006055818A1 - Abgasturbolader und Verfahren zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102006055818A1
Application number: DE102006055818A
Authority: DE
Inventors: Franz Brinkmann; Jens Wojahn
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1), insbesondere zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, mit einer in einer Abgasleitung (3) der Abgasseite (5) angeordneten Turbine (6) und einem in einer Ansaugleitung (2) der Ansaugseite (4) angeordneten Verdichter (7), bei dem eine die Turbine (6) umgehende Bypassleitung (9) vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (6) von der Abgasleitung (3) abzweigt, wobei zum Freigeben und Verschließen der Bypassleitung (9) eine schwenkbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe (10) vorgesehen ist, die einerseits von einer mittels Federelement (12) generierten Vorspannkraft in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt ist und andererseits von einer mittels Druckdose (17) betätigbaren Steuerstange (15) in Richtung Offenstellung kraftbeaufschlagt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge V<SUB>WG</SUB> eines derartigen Abgasturboladers (1). Es soll ein Abgasturbolader (1) der oben genannten Art bereitgestellt werden, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt werden und der insbesondere über einen erweiterten Regelbereich für die abblasbare Abgasmenge V<SUB>WG</SUB> verfügt. Erreicht wird dies durch einen Abgasturbolader (1), der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Federelement (12) in der Weise angeordnet ist, dass die von dem Federelement (12) auf die Klappe (10) ausgeübte Vorspannkraft ausgehend von der Schließstellung der Klappe (10) einen degressiven ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, insbesondere zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, mit einer in einer Abgasleitung der Abgasseite angeordneten Turbine und einem in einer Ansaugleitung der Ansaugseite angeordneten Verdichter, bei dem eine die Turbine umgehende Bypaßleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine von der Abgasleitung abzweigt, wobei zum Freigeben und Verschließen der Bypaßleitung eine schwenkbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe vorgesehen ist, die einerseits von einer mittels Federelement generierten Vorspannkraft in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt ist und andererseits von einer mittels Druckdose betätigbaren Steuerstange in Richtung Offenstellung kraftbeaufschlagt ist.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge eines derartigen Abgasturboladers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine sowohl Dieselmotoren als auch Ottomotoren.
In den letzten Jahren ist eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu beobachten, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine erreicht wird.
Bei der Abgasturboaufladung wird somit die Abgasenergie zur Verdichtung der Verbrennungsluft genutzt. In der Regel wird zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird: Die Kühlung erhöht nochmals die Dichte der Ladeluft, so daß die Ladeluftkühlung die Verdichtung der Ladeluft unterstützt.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, daß keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht, somit die verfügbare Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader – wie erwähnt – die Abgasenergie der heißen Abgase.
Wie bereits ausgeführt, gewinnt die Aufladung zunehmend an Bedeutung. Die Gründe hierfür sind vielschichtig und werden im folgenden kurz dargelegt.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck p_me gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, um bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
Die Aufladung unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Dabei kann die Aufladung der Brennkraftmaschine ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflußt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch zwangsläufig ab. Die Aufladung eignet sich daher ebenfalls zur Reduzierung der Schadstoffemissionen.
Schwierigkeiten bereitet aber die Auslegung des Abgasturboladers, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht, da der Fahrer im Vergleich mit einem nicht aufgeladenen Motor gleicher Maximalleistung auch im unteren Drehzahlbereich ein entsprechend großes Drehmoment erwartet. Diese für aufgeladene Brennkraftmaschinen typische Drehmomentschwäche bei niedrigen Drehzahlen zählt daher auch zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, daß das Ladedruckverhältnis des Verdichters vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, daß zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich kann dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden.
In der Praxis führen die beschriebenen Zusammenhänge folglich und häufig dazu, daß ein kleiner Abgasturbolader d.h. ein Abgasturbolader mit einem vergleichsweise kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt wird. Dieser Vorgehensweise d.h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes sind aber auch Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen bzw. großen Abgasmengen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Es müssen daher Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, daß die Turbine trotz ihres kleinen Querschnitts auch mit größeren Abgasmengen beaufschlagt werden kann.
Erreicht wird dies beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, wobei die Abgasabblasung mittels Ladedruck oder mittels Abgasdruck gesteuert werden kann. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypaßleitung an der Turbine vorbei geführt.
Obwohl diese Vorgehensweise – wie bereits oben ausgeführt – den Nachteil hat, daß das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen nicht optimal ist, wird die Abgasabblasung häufig eingesetzt, da die Waste-Gate-Turbine im Vergleich zu anderen Konzepten – beispielsweise einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie, bei der der Turbinenquerschnitt betriebspunktspezifisch einstellbar ist – sehr kostengünstig ist.
1 zeigt einen Abgasturbolader 101 nach dem Stand der Technik. Der Verdichter 107 und die Turbine 106 sind an verschiedenen Enden derselben Welle 108 angeordnet. Auf der Abgasseite 105 wird der heiße Abgasstrom V_T mittels Abgasleitung 103 durch die Turbine 106 geführt. Das Abgas entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine 106 und treibt die Welle 108 und den am anderen Ende der Welle 108 sitzenden Verdichter 107 an.
Auf der Ansaugseite 104 des Abgasturboladers 101 wird die Frischluft mittels einer Ansaugleitung 102 dem Verdichter 107 zugeführt, komprimiert und zu den Zylindern der Brennkraftmaschine weitergeleitet.
Die Bypaßleitung 109 zur Abgasabblasung zweigt stromaufwärts der Turbine 106 von der Abgasleitung 103 ab, führt an der Turbine 106 vorbei und mündet stromabwärts der Turbine 106 wieder in die Abgasleitung 103. Die Bypaßleitung 109 muß nicht – wie dargestellt – zwingend wieder in die Abgasleitung 103 einmünden.
Zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge wird nach dem Stand der Technik eine schwenkbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe 110 vorgesehen, welche die Bypaßleitung 109 entweder verschließt oder aber – entsprechend der Klappenstellung – einen mehr oder weniger großen Leitungsquerschnitt freigibt. In Abhängigkeit vom Verschwenkwinkel α der Klappe 110 um die Schwenkachse 111 strömt ein mehr oder weniger großer Teilstrom V_WG des Abgases durch die Bypaßleitung 109 hindurch, an der Turbine 106 vorbei und wieder in die Abgasleitung 103 stromabwärts der Turbine 106.
Zur Betätigung d.h. zum Verschwenken der Klappe 110 sind ein Federelement 112 und eine mittels Druckdose 117 betätigbare Steuerstange 115 vorgesehen.
Als Federelement 112 dient eine Schraubenfeder 113, welche die Klappe 110 in Richtung Schließstellung mit einer Vorspannkraft belastet. Als Vorspannkraft soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Kraftkomponente der Federkraft angesehen werden, welche die Klappe 110 in Bewegungsrichtung belastet. Bei der nach dem Stand der Technik gewählten Federanordnung bzw. Ausrichtung der Längsachse 114 der Schraubenfeder 113, bei der die Federkraft näherungsweise und im Mittel in die Bewegungsrichtung der Klappe 110 weist, können die Vorspannkraft und die Federkraft in erster Näherung gleichgesetzt werden. Die Ausrichtung der Schraubenfeder 113 gemäß 1 wurde bewußt gewählt, um zu erreichen, daß die Federkraft nahezu keine Kraftkomponente quer zur Bewegungsrichtung der Klappe 110 aufweist und die gesamte Federkraft zum Schließen der Klappe 110 nutzbar gemacht wird.
Zusätzlich wird die Klappe 110 von der Steuerstange 115, welche über eine Druckdose 117 belastet und gesteuert wird, in entgegengesetzter Richtung d.h. in Richtung "Klappe Öffnen" kraftbeaufschlagt. Bei der in 1 dargestellten Waste-Gate-Turbine fluchten die Längsachse 116 der Steuerstange 115 und die Längsachse 114 der Schraubenfeder 113. Die Längsachse 116 der Steuerstange 115 ist entlang der Bewegungsrichtung der Klappe 110 ausgerichtet, was vorteilhaft ist, da auf diese Weise die gesamte Steuerstangenkraft zum Öffnen der Klappe 110 nutzbar gemacht wird. Die Steuerstangenkraft hat vorteilhafterweise keine Komponente quer zur Bewegungsrichtung der Klappe 110.
Eine wesentliche Anforderung an die Klappensteuerung ist, daß die Klappe sicher schließt und – falls gewollt – unter sämtlichen Betriebsbedingungen geschlossen bleibt. Die Klappe in der Schließstellung zu halten, wird insbesondere durch die dynamischen Wellenvorgänge auf der Abgasseite erschwert.
Beim sogenannten Vorlastausstoß, der sich beim Öffnen eines Auslaßventils eines Zylinders einstellt, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasabführsystem mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslaßöffnung in die Abgasleitungen. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorlastausstoß bezeichnet wird. Zu berücksichtigen ist dabei, daß sich Druckschwankungen in gasförmigen Medien als Wellen ausbreiten, die durch die Abgasleitungen laufen und reflektiert werden können. Die Strömung bzw. der Druckverlauf in der Abgasleitung ergibt sich dann aus der Überlagerung der vorlaufenden und reflektierten Welle.
Damit sich die Klappe infolge der dynamischen Wellenvorgänge nicht unbeabsichtigt öffnet und Abgas, das eigentlich durch die Turbine geführt werden sollte, die Bypaßleitung – bei Umgehung der Turbine – durchströmt, wird eine ausreichend hohe Vorspannkraft in der Schließstellung der Klappe angestrebt, um ein sicheres Schließen zu gewährleisten. Dieser Anforderung kann durch entsprechend große Vorspannung der Schraubenfeder in der Schließstellung entsprochen werden.
Da aber die Federkennlinie der Schraubenfeder linear ist d.h. die Federkraft linear mit der Auslenkung der Feder zunimmt und – infolge der herkömmlichen Ausrichtung bzw. Anordnung der Feder nach dem Stand der Technik – die Vorspannkraft dieser Federkraft entspricht, also die Vorspannkraft nahezu linear mit der Auslenkung der Klappe zunimmt, müssen mit der Steuerstange bzw. der Druckdose vergleichsweise große Kräfte ausgeübt werden können, um die Klappe entgegen der Vorspannkraft zu öffnen, insbesondere weit zu öffnen d.h. weit zu verschwenken, und eine größere Menge Abgas an der Turbine vorbei durch die Bypaßleitung hindurch zu leiten. D.h. der mögliche Regelbereich der Waste-Gate-Turbine – definiert durch die abblasbare Abgasmenge – hängt nach dem Stand der Technik entscheidend von der mittels Steuerstange maximal ausübbaren Kraft ab.
Die Steuerstange ist in der Regel mit einer in der Druckdose beweglich gelagerten und druckbeaufschlagten Membran verbunden, wobei die Druckdose und damit die Abgasabblasung mittels Ladedruck – wie in 1 – oder mittels Abgasdruck gesteuert wird.
Da kein Einfluß genommen werden kann auf die Druckverhältnisse auf der Ansaugseite (Ladedruck) bzw. auf der Abgasseite (Abgasdruck), besteht nur die Möglichkeit, die Steuerstangenkraft durch Vergrößerung der druckbeaufschlagten Membranfläche zu maximieren d.h. Membranen und damit Druckdosen mit größerem Durchmesser zu verwenden. Der Durchmesser der Druckdose kann aber nicht beliebig vergrößert werden, da bei der üblichen Einbauposition der Druckdose am Abgaskrümmer in der Regel kein ausreichend großer Bauraum zur Verfügung steht.
Nach dem Stand der Technik kann der Regelbereich somit nicht beliebig durch eine Vergrößerung der Steuerstangenkraft erweitert werden. Es ergeben sich somit Einschränkungen des Regelbereichs der abblasbaren Abgasmenge. Eine Aufweitung dieses Regelbereichs ist dann nur noch möglich durch das Reduzieren der Vorspannkraft in der Schließstellung der Klappe, wobei das ungewollte Einströmen von Abgas bei geöffneter Klappe infolge von Druckschwankungen in der Abgasleitung in kaufgenommen werden muß.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d.h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt werden und der insbesondere über einen erweiterten Regelbereich für die abblasbare Abgasmenge verfügt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge eines Abgasturboladers der oben genannten Art aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch einen Abgasturbolader mit einer in einer Abgasleitung der Abgasseite angeordneten Turbine und einem in einer Ansaugleitung der Ansaugseite angeordneten Verdichter, bei dem eine die Turbine umgehende Bypaßleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine von der Abgasleitung abzweigt, wobei zum Freigeben und Verschließen der Bypaßleitung eine schwenkbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe vorgesehen ist, die einerseits von einer mittels Federelement generierten Vorspannkraft in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt ist und andererseits von einer mittels Druckdose betätigbaren Steuerstange in Richtung Offenstellung kraftbeaufschlagt ist, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Federelement in der Weise angeordnet ist, daß die von dem Federelement auf die Klappe ausgeübte Vorspannkraft ausgehend von der Schließstellung der Klappe einen degressiven Verlauf über den Verschwenkwinkel α der Klappe aufweist.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader verfügt über eine Waste-Gate-Turbine und damit über eine Abgasabblasung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik ausführlich beschrieben wurde.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß grundsätzlich auch eine Ladeluftabblasung – zusammen mit einer kleinen Auslegung des Turbinenquerschnittes – möglich ist, wobei die Abgasabblasung aufgrund der energetischen Nachteile der Ladeluftabblasung d.h. der Verschlechterung des effektiven Wirkungsgrades zu bevorzugen ist und erfindungsgemäß auch bevorzugt wird. Bei der Ladeluftabblasung können die vorhandenen Verdichter an ihre Fördergrenze geraten und dann die gewünschte Leistung nicht mehr darstellen.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird die Klappe von einer Steuerstange in Richtung Offenstellung d.h. in Richtung "Klappe Öffnen" kraftbeaufschlagt. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die Längsachse der Steuerstange im wesentlichen und im Mittel parallel zur Bewegungsrichtung der Klappe ausgerichtet ist. Auf diese Weise steht nahezu die gesamte Steuerstangenkraft zum Öffnen der Klappe zur Verfügung, ohne daß die Steuerstangenkraft eine Komponente quer zur Bewegungsrichtung der Klappe aufweist, die im Zusammenhang mit der Funktion der Steuerstange, nämlich die Klappe zu öffnen, keinen Nutzen hat. Die Steuerstange ist mittels einer Druckdose betätigbar und beispielsweise mit einer beweglich gelagerten und druckbeaufschlagten Membran verbunden, die mittels Ladedruck gesteuert wird.
Die Klappe wird zudem von einer mittels Federelement generierten Vorspannkraft in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt. Um die Klappe – unter sämtlichen Betriebsbedingungen und trotz der dynamischen Wellenvorgänge auf der Abgasseite – sicher in der Schließstellung halten zu können, wird die geschlossene Klappe gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform bereits mit einer vorgebbaren Vorspannkraft F_V,min in Richtung Schließstellung belastet.
Wie weiter oben bereits ausgeführt, soll als Vorspannkraft diejenige Kraftkomponente der Federkraft angesehen werden, welche die Klappe in Bewegungsrichtung belastet.
Um den Regelbereich der Waste-Gate-Turbine zu erweitern d.h. die abblasbare Abgasmenge in einem weiten Bereich variieren bzw. einstellen zu können, ist das Federelement in der Weise angeordnet ist, daß die auf die Klappe ausgeübte Vorspannkraft einen degressiven Verlauf über den Verdrehwinkel der Klappe aufweist.
Entsprechend diesem Lösungsmerkmal ist entweder ein Federelement zu verwenden, das von Hause aus bereits eine degressive Federkennlinie aufweist, wobei das Federelement – beispielsweise eine Schraubenfeder – auch ohne weiteres in der herkömmlichen Weise angeordnet d.h. ausgerichtet werden kann, bei der die Längsachse der Schraubenfeder bzw. die Federkraft in die Bewegungsrichtung der Klappe weist, oder aber das Federelement hat originär keine degressive Federkennlinie, sondern beispielsweise eine lineare Kennlinie wie die nach dem Stand der Technik verwendeten Schraubenfedern, und der degressive Verlauf der Vorspannkraft muß gezielt durch eine entsprechende Anordnung bzw. Ausrichtung des Federelements generiert werden.
Gegenüber dem Stand der Technik wird auf diese Weise eine Aufweitung des Regelbereichs erzielt, ohne daß der Durchmesser der Membran bzw. der Druckdose vergrößert werden müßte, um die Steuerstangekraft und damit die Klappe entgegen der Vorspannkraft weit zu öffnen bzw. über einen großen Winkel α zu verschwenken, und eine größere Menge Abgas an der Turbine vorbei durch die Bypaßleitung hindurch zu leiten.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader wird somit den beiden wesentlichen – sich nach dem Stand der Technik entgegenstehenden – Anforderungen an die Abgasabblasung gerecht. Zum einen wird ein sicheres Verschließen der Bypaßleitung gewährleistet d.h. ein unbeabsichtigtes Öffnen der Klappe infolge dynamischer Wellenvorgänge verhindert. Zum anderen kann der Regelbereich der Abgasabblasung aufgeweitet werden.
Beides wird erreicht, indem ein degressiver Verlauf der auf die Klappe ausgeübten Vorspannkraft ausgebildet wird.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich einen Abgasturbolader mit Abgasabblasung bereitzustellen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt werden und der über einen erweiterten Regelbereich für die abblasbare Abgasmenge verfügt.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Drehmomentcharakteristik einer Brennkraftmaschine auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader oder mehrerer parallel geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflußt werden kann. Auch bei diesen Laderkonfigurationen kann der erfindungemäße Abgasturbolader mit Abblaseleitung bzw. Bypaßleitung eingesetzt werden, mit den weiter oben bereits ausführlich dargelegten Vorteilen hinsichtlich der Steuerung der Abgasabblasung.
Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Teillastbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer die Hochdruckturbine umgehenden Bypaß- bzw. Abblaseleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt d.h. abgeblasen wird.
Die Bypaßleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine von der Abgasleitung ab und mündet stromabwärts dieser Turbine wieder in die Abgasleitung, um die abgeblasene Abgasmenge durch die Niederdruckturbine hindurchzuleiten. Zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge wird die Klappe des erfindungsgemäßen Abgasturboladers stufenlos verschwenkt.
Zur Ladeluftabblasung bzw. -ruckführung können die Verdichter umgehende Bypaß- bzw. Abblaseleitungen verwendet werden.
Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten aber darüber hinaus noch weitere Vorteile. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist als ein im Rahmen einer einstufigen Aufladung verwendeter größerer Abgasturbolader, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern läßt.
Eine Brennkraftmaschine mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 1 396 619 A1 beschrieben. Der Turbinenlaufraddurchmesser der Niederdruckturbine ist dabei größer ausgeführt als der Laufraddurchmesser der Hochdruckturbine.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des weiteren durch eine Registeraufladung verbessert werden. Dabei werden mehrere parallel geschaltete Turbolader mit entsprechend kleinen Turbinenquerschnitten mit steigender Last zugeschaltet.
Mehrere parallel geschaltete Turbolader sind hinsichtlich der Verbesserung der Drehmomentcharakteristik auch dann zielführend, wenn sie in der Weise konfiguriert werden, daß die Zylinder der Brennkraftmaschine in zwei Zylindergruppen, die jeweils über eine Abgasleitung verfügen, aufgeteilt werden und jeder der beiden Abgasleitungen bzw. jeder Zylindergruppe ein Abgasturbolader zugeordnet wird. Die Turbine des ersten Abgasturboladers ist dabei in der Abgasleitung der ersten Zylindergruppe angeordnet, während die Turbine des zweiten Abgasturboladers in der Abgasleitung der zweiten Zylindergruppe abgeordnet wird. Fakultativ kann eine zusätzliche Abgasleitung vorgesehen werden, welche die beiden Zylindergruppen auf der Abgasseite d.h. stromaufwärts der beiden Turbinen miteinander verbindet. Auch bei diesen Laderkonfigurationen kann der erfindungemäße Abgasturbolader eingesetzt werden.
Die Verdichter der Abgasturbolader sind entweder – parallel zueinander – in zwei separaten Ansaugleitungen angeordnet, die zu einer Gesamtansaugleitung zusammengeführt werden, oder aber in Reihe geschaltet d.h. hintereinander in einer gemeinsamen Ansaugleitung angeordnet.
Die zuvor ausführlich beschriebenen Beispiele von Laderanordnungen zeigen, wie vielfältig der Bedarf an erfindungsgemäßen Abgasturboladern ist, die mit einer Abgasabblasung ausgestattet sind und bei der sich die abgeblasene Abgasmenge in einem weiten Bereich regeln d.h. einstellen läßt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Abgasturboladers werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen die Bypaßleitung stromabwärts der Turbine wieder in die Abgasleitung mündet. Diese Ausführungsform bietet insbesondere Vorteile bei Laderkonfiguration der weiter oben eingehend beschriebenen Art d.h. bei Konfigurationen mit mehreren Abgasturboladern. Dadurch, daß die Bypaßleitung, welche eine Turbine umgeht, stromabwärts dieser Turbine wieder in die Abgasleitung mündet, kann die – im Hinblick auf diese Turbine – abgeblasene Abgasmenge V_WG einer anderen Turbine zusammen mit der nicht abgeblasenen Abgasmenge V_T zugeführt und damit nutzbar gemacht werden.
Darüber hinaus führt das Zusammenführen von Bypaßleitung und Abgasleitung dazu, daß die Gesamtleitungslänge des Abgassystems reduziert wird, was beispielsweise Vorteile hinsichtlich des Packaging bietet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen eine Leitung vorgesehen ist, mit der die Druckdose und die Ansaugseite verbindbar sind. Mittels der Leitung kann eine Ladedruckregelung ausgebildet werden, wobei in der Leitung zwischen der Ansaugseite und der Druckdose ein steuerbares Ventil angeordnet wird, mit welchem der in der Druckdose generierte Druck einerseits durch gezieltes Öffnen und Schließen eingestellt und durch Schließen des Ventils aufrechterhalten werden kann.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen eine Leitung vorgesehen ist, mit der die Druckdose und die Abgasseite verbindbar sind. Durch Verbinden der Druckdose mit der Abgasseite kann eine Abgasdruckregelung ausgebildet werden. Hinsichtlich der Steuerung des Drucks in der Druckdose wird Bezug genommen auf die zuvor gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen das Federelement eine Schraubenfeder ist. Eine Schraubenfeder ist ein weit verbreitetes Maschinenelement, welches kostengünstig in den unterschiedlichsten Ausführungen bereits auf dem Markt verfügbar ist. Die in Richtung Längsachse komprimierbare Schraubenfeder kann zudem ohne weiteres d.h. in einfacherer Weise dazu eingesetzt werden, die Klappe mit einer Vorspannkraft in Bewegungsrichtung und in Richtung Schließstellung zu belasten.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen die Schraubenfeder über einen Kniehebel mit der Klappe verbunden ist, wobei die Schraubenfeder in der Weise angeordnet ist, daß die Längsachse der Schraubenfeder und die Längsachse der Steuerstange nicht parallel zueinander verlaufen.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Schraubenfeder in der Art angeordnet, daß die Längsachse der Schraubenfeder parallel zur Bewegungsrichtung der Klappe ausgerichtet ist und im Grenzfall mit der Längsachse der Steuerstange fluchtet. Zur Generierung eines degressiven Verlaufs der Vorspannkraft ist es beispielsweise zielführend, die Längsachse aus dieser Position heraus zu drehen bzw. gegenüber der Längsachse der Steuerstange anzustellen, so daß sich zumindest in der Projektion ein Winkel zwischen der Längsachse der Steuerstange und der Längsachse der Schraubenfeder ausbildet. In diese Einbauposition verlaufen dann die Längsachsen nicht mehr parallel zueinander.
Um die Federkraft in die Klappe einzuleiten, wird gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform zwischen der Klappe und der Feder ein Kniehebel vorgesehen, wobei als Kniehebel im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Kombination von zwei gelenkig miteinander verbundenen Gelenkstangen zu verstehen ist. An der Verbindungsstelle dieser beiden Gelenkstangen wird die Schraubenfeder angelenkt. Während das Ende einer Gelenkstange in einem Festlager d.h. in einem bezüglich der Klappe ortsfesten Lager gelagert wird, wird das Ende der anderen, zweiten Gelenkstange mit der Klappe gelenkig verbunden.
Der degressive Verlauf der Vorspannkraft kann über die Winkelpositionen der beiden Gelenkstangen beeinflußt und gezielt ausgeformt werden. Ein Zusammenhang zwischen der Federkraft und der Vorspannkraft ergibt sich aus den Winkelbeziehungen bzw. den ausgebildeten Winkeln.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen das Federelement seitlich der Steuerstange angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasturboladers, bei denen das Federelement außerhalb der Bypaßleitung angeordnet ist. Ein in der Bypaßleitung angeordnetes Federelement würde für die durch die Bypaßleitung hindurchgeführte Abgasströmung V_WG einen Strömungswiderstand darstellen und zu einem Druckverlust in der Abgasströmung V_WG führen, was insbesondere dann nachteilig ist, falls die Energie der abgeblasenen Abgasströmung in einer weiteren stromabwärts vorgesehenen Turbine nutzbar gemacht werden soll.
Zudem wäre das Federelement der heißen Abgasströmung V_WG ausgesetzt, was die Alterung der Feder beschleunigen würde. Zu berücksichtigen ist weiter, daß der Einbauraum in der Bypaßleitung sehr begrenzt ist, insbesondere vor dem Hintergrund, daß die Klappe und in der Regel auch die Lagerung der Klappe d.h. die Schwenkachse bereits in der Bypaßleitung angeordnet sind.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge eines Abgasturboladers mit einer in einer Abgasleitung der Abgasseite angeordneten Turbine und einem in einer Ansaugleitung der Ansaugseite angeordneten Verdichter, wobei eine die Turbine umgehende Bypaßleitung zum Abblasen von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine von der Abgasleitung abzweigt, insbesondere zur Steuerung eines Abgasturboladers nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem

• eine drehbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe vorgesehen wird, mit der die Bypaßleitung geöffnet und verschlossen wird,
• ein Federelement vorgesehen wird, mit dem eine Vorspannkraft generiert wird, mit der die Klappe in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt wird, und
• eine mittels Druckdose betätigbare Steuerstange vorgesehen wird, mit der die Klappe in Richtung Offenstellung kraftbeaufschlagt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß
• das Federelement in der Weise angeordnet wird, daß die von dem Federelement auf die Klappe ausgeübte Vorspannkraft ausgehend von der Schließstellung der Klappe einen degressiven Verlauf über den Verschwenkwinkel α der Klappe aufweist.

Das bereits weiter oben für den erfindungsgemäßen Abgasturbolader Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen

• mit zunehmendem Abgasmassenstrom die Klappe weiter geöffnet wird, wodurch eine zunehmende Menge Abgas V_WG an der Turbine vorbeigeführt und abgeblasen wird.

Diese Verfahrenvariante gestattet eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und damit die Realisierung eines hohen Ladedrucks auf der Verdichterseite auch bei kleinen Abgasmengen. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes abgeblasen d.h. durch die Bypaßleitung an der Turbine vorbei geführt.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen

• mit zunehmender Lastanforderung die Klappe zunehmend geschlossen wird, wodurch eine zunehmende Menge Abgas V_T durch die Turbine geführt wird.

Der zunehmende durch die Turbine hindurchgeführte Abgasmassenstrom sorgt für eine größere bereitgestellte Leistung an der Welle des Abgasturboladers und damit für eine größere Verdichterleistung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels des Abgasturboladers und gemäß den 1 bis 3 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch einen Abgasturbolader nach dem Stand der Technik in der Draufsicht und teilweise geschnitten,
2 schematisch eine erste Ausführungsform des Abgasturboladers in der Draufsicht und teilweise geschnitten, und
3 schematisch einen möglichen Kraftverlauf der Vorspannkraft F_V aufgetragen über den Schwenkwinkel α der Klappe.
1 zeigt schematisch einen Abgasturbolader 101 nach dem Stand der Technik in der Draufsicht und teilweise geschnitten. Diese Figur wurde bereits im Rahmen der Beschreibung des Standes der Technik ausführlich erörtert, weshalb an dieser Stelle keine weiteren Ausführungen gemacht werden sollen. Es wird aber im Rahmen der Figurenbeschreibung der 2 Bezug genommen auf die Beschreibung der 1.
2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Abgasturboladers 1 in der Draufsicht und teilweise geschnitten. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik erörtert werden, weshalb im übrigen bezug genommen wird auf 1.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Abgasturbolader 101 ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform die Schraubenfeder 13 seitlich der Steuerstange 15 angeordnet und über einen Kniehebel 19 mit der Klappe 10 verbunden. Dadurch verlaufen die Längsachse 14 der Schraubenfeder 13 und die Längsachse 16 der Steuerstange 15 nicht mehr parallel zueinander. In der in 2 dargestellten Draufsicht bzw. Projektion bilden die Längsachse 16 der Steuerstange 15 und die Längsachse 14 der Schraubenfeder 13 einen Winkel β aus mit β < 90°.
Durch diese Anordnung der Schraubenfeder 13 bzw. diese Ausrichtung der Längsachse 14 der Schraubenfeder 13 wird die schwenkbar gelagerte Klappe 10 mit einer Vorspannkraft F_V in Richtung Schließstellung belastet, wobei die Vorspannkraft F_V über den Verschwenkwinkel α der Klappe 10 einen degressiven Verlauf aufweist.
Zwischen der Klappe 10 und der Feder 13 ist ein Kniehebel 19 vorgesehen, um die Federkraft in die Klappe 10 einzuleiten. Der Kniehebel 19 umfaßt zwei gelenkig miteinander verbundenen Gelenkstangen bzw. Kniehebelstangen 20, 21. An der Verbindungsstelle der beiden Stangen 20, 21 wird die Feder 13 angelenkt und die Federkraft in den Kniehebel 19 eingeleitet, wobei sich die Federkraft auf die beiden Stangen 20, 21 verteilt.
Dabei erfährt der in die zweite Gelenkstange 21 eingeleitete Anteil der Federkraft bereits eine Richtungsänderung, da die zweite Gelenkstange 21 gegenüber der Längsachse 14 der Schraubenfeder 13 um einen Winkel γ angestellt ist und die Gelenkstange 21 nur Kräfte in Richtung ihrer Langsachse aufnehmen kann. Der Anteil der Stangenkraft der zweiten Gelenkstange 21, der in Richtung der Bewegung der Klappe 10 weist, bildet die Vorspannkraft F_V.
Da die Position der Gelenkstange 21 veränderbar ist und zwar in Abhängigkeit von der Klappenstellung α und der Kompression der Schraubenfeder 13 und weil die Federkraft mit zunehmend komprimierter Schraubenfeder 13 zunimmt, ist auch die Vorspannkraft F_V veränderlich. Die Vorspannkraft F_V ändert sich mit der Klappenstellung α und mit dem Anstellwinkel γ und weist einen degressiven Verlauf auf, selbst wenn die Schraubenfeder 13 von Hause aus eine lineare Kennlinie hat.
Ausgehend von der Schließstellung (α = 0°) der Klappe 10, in der die Klappe 10 – siehe auch 3 – mit einer Vorspannkraft F_V,min vorbelastet ist, wird die Klappe 10 entgegen der Vorspannkraft F_V durch Betätigen der Steuerstange 15 geöffnet d.h. um die Schwenkachse 11 verschwenkt. Dabei wird die Schraubenfeder 13 komprimiert und der Anstellwinkel γ zwischen der zweiten Gelenkstange 21 und der Längsachse 14 der Schraubenfeder 13 verändert d.h. beim Öffnen der Klappe 10 vergrößert.
Mit zunehmend geöffneter Klappe 10 d.h. mit wachsendem Verschwenkwinkel α nimmt die Vorspannkraft F_V beim Überstreichen eines bestimmten Schwenkwinkels Δα immer weniger stark zu. Der Gradient der Funktion F_V (α) nimmt mit wachsendem Verschwenkwinkel α ab, wodurch ein degressiver Kraftverlauf F_V (α) über den Verschwenkwinkel α ausgebildet wird (siehe auch 3). 3 zeigt schematisch einen möglichen Kraftverlauf der Vorspannkraft F_V aufgetragen über den Schwenkwinkel α der Klappe 10.
Das Ende der anderen, ersten Gelenkstange 20 ist in einem Festlager 22 d.h. in einem bezüglich der Klappe 10 ortsfesten Lager gelagert.

Stand der Technik:

101: Abgasturbolader
102: Ansaugleitung
103: Abgasleitung
104: Einlaßseite
105: Auslaßseite
106: Turbine
107: Verdichter
108: Welle
109: Bypaßleitung
110: Klappe
111: Schwenkachse der Klappe
112: Federelement
113: Schraubenfeder
114: Längsachse der Schraubenfeder
115: Steuerstange
116: Längsachse der Steuerstange
117: Druckdose
118: Leitung

Claims

Abgasturbolader (1), insbesondere zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, mit einer in einer Abgasleitung (3) der Abgasseite (5) angeordneten Turbine (6) und einem in einer Ansaugleitung (2) der Ansaugseite (4) angeordneten Verdichter (7), bei dem eine die Turbine (6) umgehende Bypaßleitung (9) vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (6) von der Abgasleitung (3) abzweigt, wobei zum Freigeben und Verschließen der Bypaßleitung (9) eine schwenkbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe (10) vorgesehen ist, die einerseits von einer mittels Federelement (12) generierten Vorspannkraft in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt ist und andererseits von einer mittels Druckdose (17) betätigbaren Steuerstange (15) in Richtung Offenstellung kraftbeaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (12) in der Weise angeordnet ist, daß die von dem Federelement (12) auf die Klappe (10) ausgeübte Vorspannkraft ausgehend von der Schließstellung der Klappe (10) einen degressiven Verlauf über den Verschwenkwinkel α der Klappe (10) aufweist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (9) stromabwärts der Turbine (6) wieder in die Abgasleitung (3) mündet.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (18) vorgesehen ist, mit der die Druckdose (17) und die Ansaugseite (4) verbindbar sind.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung vorgesehen ist, mit der die Druckdose (17) und die Abgasseite (5) verbindbar sind.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (12) eine Schraubenfeder (13) ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (13) über einen Kniehebel (19) mit der Klappe (10) verbunden ist, wobei die Schraubenfeder (13) in der Weise angeordnet ist, daß die Längsachse (14) der Schraubenfeder (13) und die Längsachse (16) der Steuerstange (15) nicht parallel zueinander verlaufen
Abgasturbolader (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (12) außerhalb der Bypaßleitung (9) angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (12) seitlich der Steuerstange (15) angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge eines Abgasturboladers (1) mit einer in einer Abgasleitung (3) der Abgasseite (5) angeordneten Turbine (6) und einem in einer Ansaugleitung (2) der Ansaugseite (4) angeordneten Verdichter (7), wobei eine die Turbine (6) umgehende Bypaßleitung (9) zum Abblasen von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (6) von der Abgasleitung (3) abzweigt, insbesondere zur Steuerung eines Abgasturboladers (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem • eine schwenkbar gelagerte und stufenlos verstellbare Klappe (10) vorgesehen wird, mit der die Bypaßleitung (9) geöffnet und verschlossen wird, • ein Federelement (12) vorgesehen wird, mit dem eine Vorspannkraft generiert wird, mit der die Klappe (12) in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt wird, und • eine mittels Druckdose (17) betätigbare Steuerstange (15) vorgesehen wird, mit der die Klappe (10) in Richtung Offenstellung kraftbeaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß • das Federelement (12) in der Weise angeordnet wird, daß die von dem Federelement (12) auf die Klappe (10) ausgeübte Vorspannkraft ausgehend von der Schließstellung der Klappe (10) einen degressiven Verlauf über den Verschwenkwinkel α der Klappe (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß • mit zunehmendem Abgasmassenstrom die Klappe (10) weiter geöffnet wird, wodurch eine zunehmende Menge Abgas V_WG an der Turbine (6) vorbeigeführt und abgeblasen wird.